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深溪沟水电站水轮机参数选择及结构特点
兰 岗 蒋登云 孙文彬 郭筱蓉
（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院 成都市 610072）
【摘 要】 本文介绍了深溪沟水电站低水头、大容量轴流转桨式水轮机的参数选择及主要部件结构特点。电站4台机组已全部投产发电，水轮机的能量指标、稳定性指标及空化性能均达到了预期目标。
【关键词】 深溪沟；水轮机；参数选择；结构设计

1. 概述
深溪沟水电站位于四川省汉源县，为大渡河干流规划的第十八级电站，其上一梯级为已建成投产的瀑布沟水电站，下一级为正在建设中的枕头坝水电站。
深溪沟坝后地面厂房内装设4台单机容量为165MW的立式轴流转桨式水轮发电机组，水轮机由浙江富春江水电设备股份有限公司供货，其中水轮机的水力设计及整体转轮供货由俄罗斯动力机械股份有限公司负责；发电机由东芝水电设备（杭州）有限公司供货。
工程于2006年4月正式开工，2010年6月下闸蓄水，7月1日首台机组正式并网发电， 2#~4#机组分别于2010年12月、2011年5月及6月投产发电。
2. 电站基本参数
装机容量 660MW
多年平均发电量 32.35亿kW·h
单机容量 165 MW
机组台数 4台
最大水头 40.0m
加权平均水头 34.3m
额定水头 30.0m
最小水头 20.1m
3. 水轮机选择
3.1 机型选择
深溪沟水电站水头范围20.1~40.0m，处于轴流式和混流式水轮机均可适用的交界水头段，经技术经济比较，水轮机采用轴流转桨式，目前在国内已投产的同类型机组中，其单机额定出力仅次于福建水口（204MW，世界最大）及葛洲坝大机（175MW）。近年已投产的部分单机容量100MW以上的轴流式水轮机参数见表1。
表1 国内近年已投产的部分单机容量100MW以上的轴流转桨式水轮机参数
水轮机参数
乐滩
二期
草街
万安
（5#机）
沙湾
银盘
平班
班多
深溪沟
单机功率Pr(MW)
150
125
113
120
150
135
120
165
水轮机出力Ptr(MW)
153.1
128.2
115.3
123.1
152.6
138.5
122.45
168.4
最大水头Hmax (m)
31.5
25.4
32.3
28.24
35.12
39
41.5
40
额定水头Hr (m)
19.5
20
22
24.5
26.5
34
35.5
30
最小水头Hmin (m)
8.65
7.9
12
21.24
13.0
27.14
33.0
20.1
转轮型号
ZZA813a
ZZ(VS)410
ZZD345e
ZZD345e
PO40
DZS486
FI026b
ZZK40
转轮直径D1 (m)
10.4
9.5
8.5
8.5
8.6
7.22
6.6
8.3
叶片数
5
5
5
5
6
5
6
6
额定转速nr (r/min)
62.5
68.18
76.9
76.9
83.3
107.14
115.4
90.9
额定流量Qr (m3/s)
863.9
698.4
579.5
549.5
631.46
440.29
374.5
611.24
额定效率ηr (%)
92.6
91.56

92.7
93.06
94.74
94.08
93.8
最高效率ηmax(%)

92.99

94.6
94.72
95.27
94.73
95.3
吸出高度Hs (m)
-9.5
-8.92
-8.54
-8.54
-8.07
-7.67
-14.13
-12.2
额定点单位转速n1r ‘(r/min)
147.2
144.8
139.4
132.06
139.16
132.7
127.83
137.7
额定点单位流量Q1r ‘(m3/s)
1.809
1.730
1.71
1.54
1.659
1.449
1.443
1.62
额定点比转速nsr (m.KW)
596.8
577.2
554
495.0
541.2
485.7
466.0
531.3
额定点比速系数Kr
2635.4
2581.2
2600
2450.1
2786.0
2831.8
2776.6
2910
水轮机难度系数D12·HMax
3407
2292
2334
2040
2597
2033
1807.7
2755.6
首台机组投产时间
2004
2010
2005
2009
2011
2004
2010
2010
3.2 水轮机主要参数选择
(1) 额定转速
轴流转桨式机组同步转速所处的区域一般为中低转速区，在该区域相邻同步转速差距不大，可选同步转速方案多，因此同步转速准确选择是轴流转桨式水轮机设计的难点和重点。
招标前与潜在的机组投标人进行的技术交流中，各厂推荐的同步转速不尽相同，从83.3~100r/min均有；根据深溪沟电站的实际情况，综合考虑了近年来外水轮机制造商的设计水平、试验方法、材料性能及加工装备能力，以及本电站厂房覆盖层较深厚允许开挖的特点，并考虑发电机经济合理槽电流对同步转速的要求，机组招标阶段确定机组同步转速选择为90.9 r/min，对应比转速ns为531.3 m·kW、比速系数K为2910，略高于国内已投产机组参数（见表1）。
(2) 空化性能参数
一般来说，水轮机空化系数s随比转速ns的增大而增大，选择较大的装置空化系数有利于提高水轮机的抗空蚀能力，但也将直接增加地面厂房的土建工程量和投资。轴流转桨式水轮机的空蚀破坏除了常规的叶片背面外，还有叶片与转轮室间和叶片与轮毂间的气蚀，同时深溪沟电站地处峡谷地带，下游尾水变幅近20m，因此空化性能的合理选择是本电站设计的另一个难点和重点，需综合考虑水轮机性能和电站地形、地质条件等因素。
1) 水轮机安装高程
从可研阶段开始，我们根据国内外科研单位的统计公式和统计曲线，并广泛征询国内（含合资）机组制造厂关于深溪沟电站机组参数的研究成果，推荐水轮机导叶中心线安装高程▽安=612.35m，最终的招标和技施设计成果与之一致，水轮机转轮中心高程为608.636m，对应的吸出高度为-12.2m，电站装置空化系数为σp=0.7175。
2) 空化安全系数K及模型空化系数的选择
由于轴流机组为带气泡运行，存在转轮间隙气蚀、头部气蚀及轮毂气蚀，因此水轮机的初生空化系数很难确定，通常对轴流式水轮机空化系数的安全系数K=σP/σC进行规定。根据与国内各主要机组制造商的交流，安全系数K取值的主要观点如下：
a) 东芝水电设备（杭州）有限公司：σP/σc=1.3~1.4；
b) 东方电机股份有限公司：σP/σs≤1.2，σP /σ-1≤1.3，轴流式初生空化系数很难确定，建议σi不作考核；
c) 天津阿尔斯通水电设备有限公司：临界空化系数取为s0.5，σP/σ0.51.1；
d) 哈尔滨电机厂有限责任公司：σP/σs=1.25；
e) 上海福伊特水电设备有限公司：水轮机空化系数采用许用空化系数σadm，σadm/σ-1 =1.7。许用空化系数σadm的定义为同时满足以下条件：①叶片表面空化（叶片背面），②叶片头部空化，包括低单位转速（高水头）处的叶片负压面头部空化和高单位转速（低水头）处的叶片正压面头部空化，③转轮与转轮室之间的间隙空化，④轮毂空化；
f) 原通用电气亚洲水电设备有限公司：临界空化系数σc取为σ0.2，真机吸出高度Hs为计算值（K=1）加-0.5~-1.3m裕量。
最终招标及合同文件规定：电站装置空化系数σP与初生空化系数σi及临界空化系数σc之比应满足：
σP/σi≥1.05，σP /σc≥1.3
（临界空化系数σc定义为与无空化状态下效率相比，效率下降1%所对应的空化系数，简称σ-1；初生空化系数σi定义为随着吸出高度的减小，在转轮桨叶表面开始出现可见气泡时所对应的空化系数。）
经水轮机模型验收试验，σ=i≤0.6377，σc=0.5450。σp/σi=1.125、σp/σc=1.317，均有一定的安全裕量且满足合同规定。
(3) 水轮机主要参数成果
经过机组采购招标、模型试验和结构设计，水轮机主要参数成果如表1。
4. 水轮机主要部件结构特点
深溪沟电站水轮发电机组设有发电机上导轴承、推力/下导组合轴承和水导轴承，推力轴承支撑于发电机下机架上。
4.1 转轮及桨叶操作机构
(1) 转轮桨叶数
转轮公称直径8.3米，额定操作油压为6.3MPa；国内近年来类似水头及容量轴流式水轮机采用5叶片及6叶片方案的均有，但考虑6叶片与5叶片转轮相比，可有效减少叶片正、背面压差，改善叶片空化性能；且由于受力面增加，可以减少叶片单位面积承受的压力，增加转轮整体的刚强度，转轮运行的稳定性及压力脉动性能更优异，在水轮机能量指标不受影响的条件下，深溪沟电站水轮机转轮采用6叶片方案。
(2) 桨叶密封
桨叶采用多道双向“V”型密封，防止漏油渗入河水以及河水进入轮毂体内；密封条采用不锈钢分块密封压板和固定螺栓固定，可在不拆卸桨叶的情况下更换密封条。
(3) 轮毂比选择
在机组招标前与机组制造商的技术交流上，各厂家推荐的转轮轮毂比为0.42~0.51，通过分析后认为，减小轮毂比可减少转轮端部及叶型的水力损失，使得转轮的效率增加（见图1），近年来随着新材料的运用轮毂比有逐渐减小的趋势；但轮毂体的减小同时会带来低水头和小流量工况下脱体损失急剧增加，转轮能量指标下降剧烈，因此轮毂比不可能减小过多。

图1 轮毂比大小对转轮效率的影响[1]
根据统计公式资料，转轮轮毂比可按以下公式计算[2]
DB/D1＝0.25+94.64/ns
由上述公式此可计算得轮毂比约为0.43。通过主机厂的CFD分析及水力模型试验验证，最终深溪沟电站转轮轮毂比采用0.45。
4.2 转轮组装
目前国内轴流转桨式机组的桨叶操作机构通常采用缸动式（活塞缸及操作机构在轮毂体下方）或活塞动式（活塞在轮毂体上方、操作架在轮毂体下方）的结构形式，受操作架及连杆机构安装的限制，转轮在现场组装时均先倒置，待完成操作架及连杆机构安装后后再进行翻身，由此给现场施工及后期检修人员带来不便。
图2 轮毂体结构
考虑到上述问题，深溪沟电站的水轮机桨叶操作机构最终采用了活塞布置于轮毂体下方的活塞带操作杆结构形式（见图2），该结构形式由于操作架及连杆机构均处于轮毂体上方，安装人员可从轮毂体上方进行连杆机构的装配，因此转轮组装过程无需翻身。该结构形式为首次在国内轴流机组中应用，可减少转轮现场组装工作量及缩短组装时间，避免转轮翻身。
4.3 座环
(1) 固定导叶数选择
固定导叶与活动导叶数的组合对流道内水力脉动和振动的影响较大，常规配置为固定导叶数与活动导叶数相同。在与俄动技术交流时，俄方提出希望将固定导叶数改为12只，并介绍了俄动的研究：随着活动导叶数Z2与固定导叶数Z1比值由小变大，流道内水流不稳定性呈不规则的波浪形变化，当Z2/ Z1=1时，恰好不稳定性处于较高水平；而将固定导叶数调整为12只后，水流不稳定性将降至较低。我们认可了俄动选择，且俄动有实际电站运行经验；在刚强度、制造等均落实后，最终将固定导叶数调整为12只。与深溪沟电站类似的国外采用12只固定导叶的轴流式水轮机参数表，见表2。
表2 国外采用12只固定导叶的轴流式水轮机参数表
电站名称
国家
首台机组投运时间
最大水头
(m)
出力
(MW)
转轮直径
D1(m)
固定导叶数Z1
活动导叶数Z2
Z2/Z1
Nizhnekamskay
俄罗斯
1978
18.5
80.5
10
12
28
7/3
Cheboksarskay
俄罗斯
1980
18.5
80.5
10
12
28
7/3
Sobradinho
巴西
1982
31.8
178
9.5
12
32
8/3
(2) 固定导叶尾部翼型设计
固定导叶尾部翼型原方案为燕尾型，目的为消除导叶固有频率与卡门涡频率接近产生的共振现象，该翼型设计在俄动生产的多个水电站机组中已成功运用。方案审查时考虑到深溪沟电站的汛期过机泥沙含量大、硬度高，长期运行后燕尾可能被磨损，导叶固有频率与卡门涡频率关系将发生改变，影响机组运行稳定性，后期设计将固定导叶尾部改为钝圆形。
4.4 主轴联接
水轮机轴与转轮采用螺栓联接，利用销套传递扭矩；与发电机轴采用销钉联接，摩擦及剪切联合传递扭矩，为保证联接法兰螺栓孔的加工精度，考虑到浙富公司与东芝水电生产厂房距离较近，原方案为水轮机轴与发电机轴联轴法兰面螺栓孔采用同镗绞孔，但受车床加工长度限制，最终由浙富公司提供高精度数控镗模，用于东芝水电供货的发电机轴联接法兰螺栓孔加工。
4.5 推力轴承支撑位置
轴流机组将推力轴承支撑于发电机下机架及水轮机顶盖上两种方案均有。为提高水力性能，制造厂涡壳断面均推荐上翘断面，水轮机导叶中心到发电机层高度较高，且水轮机与发电机由两家承包人分别提供，为减少水轮机与发电机结构设计的相互影响，最终选择推力轴承支撑于发电机下机架方案。
5. 机组运行情况
目前深溪沟水电站的1#~4#机组现已全部投产发电，其中2#机组各测点的振动、摆度实测数据见表3（对应上游水位658.52m、下游水位623.57m，水轮机净水头接近额定水头；机组发额定出力）。通过表中数据可以看出，机组各测点的振动、摆动指标均低于合同及规范要求，机组运行稳定性较好，达到了预期目标。
表3 2#水轮发电机组各测点振动、摆度实测数据
部 位
单位
实测值
合同保证值
国标规定
上导摆度
X向
μm
116
150

260

Y向
μm
128
150
下导摆度
X向
μm
109
250
Y向
μm
102
250
水导摆度
X向
μm
118
220
Y向
μm
97
220
上机架水平振动
X向
μm
21
100
110
Y向
μm
24
100
110
下机架水平振动
X向
μm
8
100
110
Y向
μm
12
100
110
下机架垂直振动
μm
19
60
80
顶盖水平振动
μm
10
70
90
顶盖垂直振动
μm
36
90
110
注：振动值按GB/T8564-2003规定，运行摆度值按GB/T 15468-2006规定
6. 结语
深溪沟水电站机组的成功投运，为国内低水头、大容量轴流转桨式水轮机的选型、设计、制造及安装又增添了一项成功的范例，其参数选择及结构设计，尤其是水轮机空化安全系数的确定、固定导叶数选择及无需现场翻身的轮毂体结构，可为后继同类型电站所借鉴及参考。

参考文献：
[1] 赵永智．万安电站5#轴流式水轮机的水力开发[J]．东方电机，2005(2)：P57-P64
[2] 施浩然，刘小兵．含沙河流中轴流式转轮优化设计[J]．山东农业大学学报（自然科学版），2002,33(3)：P347-P351

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